共模扼流圈技術應用說明

2022.12.20 技術文章 Articles

GOTREND高創科技-共模扼流圈技術應用說明





1. 共模電感簡介

共模扼流圈(Common Mode Choke),也稱共模電感、共模濾波器,是在一個閉合磁環上對稱繞制方向相反、匝數相同的線圈。常用於過濾共模的電磁干擾,抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射發射,提高系統的EMC (=EMI+EMS),在實際應用中一般是在差分的信號線上加共模電感。

 

 

2. 共模 & 差模干擾

想要了解【共模電感】的應用,需要先了解什麼是共模干擾、差模干擾。
共模和差模都是一個相對量,共模是指兩個信號A、B相對於參考點(GND)的電勢 ; 差模是指A、B之間的相對值。
共模干擾是指兩個信號線對地的干擾,如果環境對兩個信號線對地之間產生對地的同向等幅的干擾(疊加相同的電壓),那麼就叫共模干擾,之所以說差分信號有很好的共模抑制,是因為差分放大器只對兩個信號的差值放大,如果是大小相等的共模干擾完全可以消除掉,(Udiff=Ua-Ub)差模干擾又指串模,是指兩個信號線之間的差值,差模干擾相當於兩個信號間加上了一個干擾電壓,Unoise=Ua-Ub。
如下圖所示:



 
GOTREND高創科技-共模扼流圈技術應用說明- 共模&差模干擾比較表


 
等幅相位相反的兩個信號,以一個共模電壓為基準做擺動,稱為差分信號。如果一端接地的話就變成單端信號了。如果A,B兩個信號的共模電壓是1.2V的話(LVDS),那麼A,B是在1.2V上做350mV的差模,高低電平是由他們的差值決定的,所以能很好的抑制共模干擾,只要控制兩個信號的零點就可以控制信號的邏輯狀態了,相比單端的相對於地的閥值電平,具有抗共模干擾能力強,適合電壓傳輸,EMI少的優點。



對於差分信號為什麼需要共模扼流圈,是因為差分放大器都有一個共模抑制比,超過這個CMRR,就會失真。
下圖是【差分的具體實現圖】(LVDS):


 
GOTREND高創科技-共模扼流圈技術應用說明- 差分的具體實現圖LVDS


 

從上圖中可以看到,由於差分信號相互之間的耦合左右,所以對外的EMI也比較小。

• 共模電感抑制共模干擾 :
根據右手螺旋定律,在同一磁環繞上方向相反的兩個線圈通過極性相同,幅值相等的兩個電壓時,產生的磁通相互疊加,感抗為:Xl=wL,感抗很大。差分信號產生的磁通就相互抵消。

• 差分信號的回路 :
當地參考面不連續的時候,兩根信號能提供回路,但是還是和地的耦合強度大,一般是以地為回路。




 

3、差模雜訊和共模雜訊主要來源

對於開關電源而言,如果整流橋後的儲能濾波大電容為理想電容,即等效串聯電阻為零(忽略所有電容寄生參數),則輸入到電源所有可能的差模噪音源都會被該電容完全旁路或解耦,可是大容量電容的等效串聯電阻並非為零。因此,輸入電容的等效串聯電阻是從差模雜訊發生器看進去的阻抗Zdm的主要部分。輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流外,還要提供開關管所需的高頻脈衝電流,但無論如何,電流流經電阻必然產生壓降,如電容的等效串聯電阻,所以輸入濾波電容兩端會出現高頻電壓紋波,高頻高壓紋波就是來自於差模電流。它基本上是一個電壓源(由等效串聯電阻導致的)。

理論上,整流橋導通時,該高頻紋波雜訊應該僅出現在整流橋輸入側,事實上,整流橋關斷時,雜訊會通過整流橋二極體的寄生電容洩露。
高頻電流流入機殼有許多偶然的路徑。當開關電源中的主開關管的漏極高低跳變時,電流流經開關管與散熱器之間的寄生電容(散熱器連接至外殼或者散熱器就是外殼)。在交流電網電流保持整流橋導通時,注入機殼的雜訊遭遇幾乎相等的阻抗,因此等量流入零線和火線。因此,這是純共模雜訊。

 



 

4、共模電感如何抑制共模信號

目前已經知道共模信號是兩個幅度相等、相位相同的信號,共模信號一般來自電網,共模信號會影響電路板的正常工作,也會以電磁波的形式干擾周圍環境。 既然是用電感來抑制共模信號,那麼這肯定和磁場相關。

• 先來介紹通電螺線感,產生的磁場方向(對於專案應用而言,例如抑制共模信號而言,不太需要定量的計算,電感產生的磁場以及磁通量的大小。)對於通電螺線管的磁場方向判斷方法為,右手握住螺管,四指指向電流方向,則拇指指向就是磁場方向。
接下來介紹一個重要的名詞,即磁通。


• 垂直通過一個截面的磁力線總量稱為該截面的磁通量,簡稱磁通。磁力線是通電螺線管產生的,是實際存在的,只是看不見也摸不著,磁力線是一個閉和的回路,對於通電螺線管,磁力線都要經過螺線管內部,磁力線是與磁感應強度B成正比的。
磁通量用F表示,是一個標量,單位為韋伯,代號Wb。



▶ 磁通量和磁感應強度B以及截面積A的關係為:

F = B A



從關係式可以看出,穿過橫截面的磁力線越多,磁通量就越大。對於繞在磁芯上的線圈,在其上通電流i,則線圈的電感L可以表示為:

 

L = NF / i


N為線圈匝數。




通過上述的簡要概述,可以了解繞在磁芯上的線圈在匝數和電流不變時,磁芯中穿過的磁力線越多,那麼磁通量就越大,則相對應的電感量也越大。電感的作用就是阻止流過其上電流的變化,其實質是阻止其磁通量的變化。這就是利用共模電感來抑制共模電流的基本原理。

對於共模電感如何抑制共模電流可以用一句話解釋,即共模電感上流過共模電流時,磁環中的磁通相互疊加,從而具有相當大的電感量,對共模電流起到抑制作用。
當兩個線圈流過差模電流時,鐵氧體磁環中的磁力線相反,導致磁通相互抵消,幾乎沒有電感量,所以差模信號可以基本無衰減的通過(考慮到電感本身具有一定的電阻)。
不僅對於開關電源的輸入濾波器加共模電感,在走差分信號線時也可以加上共模電感來抑制共模電流,以防止電路誤觸發等現象。




 

 

5、共模電感選取

根據共模電感的額定電流、直流電阻以及額定頻率下阻抗值要求,可以按步驟進行設計:
(1) 根據阻抗值計算最小電感值
(2) 選擇共模電感磁芯材料以及磁芯尺寸
(3) 確定線圈匝數
(4) 選擇導線



▶ 共模電感最小電感值計算公式:

L = X1 / 2

Xl為頻率為f時的阻抗值。



扼流圈電感值是用負載(單位: Ohms)除以信號開始衰減時的角頻率或以上頻率。
例如,在50Ω的負載中,當頻率達到 4000 Hz 或以上時信號開始衰減,則需要使用 1.99 mH(50/2π X 4000)的電感。




其相應的共模濾波器構造,如下圖所示:
GOTREND高創科技-共模扼流圈技術應用說明- 相應的共模濾波器構造
 

選擇所需濾波的頻段,共模阻抗越大越好,因此在選擇共模電感時需要看器件資料,主要根據阻抗頻率曲線選擇。
電感量計算出來後和普通設計電感一樣,在這裡就不詳細說明。




• 繞製電感時要注意些事項 :
(1) 繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣,以保證在暫態過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。
(2) 當線圈流過暫態大電流時,磁芯不要出現飽和。
(3) 線圈中的磁芯應與線圈絕緣,以防止在暫態過電壓作用下兩者之間發生擊穿。
(4) 線圈應盡可能繞制單層,這樣做可減小線圈的寄生電容,增強線圈對暫態過電壓的而授能力,共模電感磁芯的選取磁芯時,形狀尺寸、適用頻段、溫升以及價格都要考慮,常用的磁芯為U型、E型和環形。

 




 

6.總結

相對而言,環形磁芯比較便宜,因為環形只需要一個就可製作。
其他形狀的磁芯必須有一對才能為共模電感所用,而且在成型時,考慮兩磁芯的配對問題,還須增加研磨工序才能得到較高的磁導率,對於環形磁芯卻不需要如此;與其它形狀磁芯相比環形磁芯有較高的有效磁導率,因為兩配對磁芯在裝配時,無論怎樣作業都不可消除氣隙的現象,故有效磁導率比單一封閉形磁芯要低。



▶ 環形磁芯繞線成本較高,因其他形狀磁芯有一配套線架在使用,繞線可以機器作業,而環形磁芯只可以手工作業或機器(速度較低)作業;且磁環孔徑小,機器難以穿線,需要人工去繞,費時費力,加工成本高,效率低;安裝不便,若是加底座,則成本會上升。
綜合性能比起來,磁環性能較好,價格也比較高。



▶ 因為成本的因素,磁環大多用在大功率的電源上。當然因為體積小,對體積有要求的小功率電源,可以採用磁環磁芯。對於主要作用是濾除低頻雜訊的共模電感,應選用高磁導率的錳鋅鐵氧體磁芯;相反,應該選用適用於高頻的鎳鋅鐵氧體磁芯或磁粉芯磁芯。
通常適用於高頻的磁芯,因其具有分散式氣隙,故磁導率相對較低,二者不可兼得。



▶ 不過,與普通電感器不同的是,共模電感的作用是對雜訊信號形成較大的插入損耗,以減小雜訊干擾。錳鋅鐵氧體在高頻時,雖然其有效磁導率很小,但磁芯損耗隨頻率增加而增大,對高頻雜訊有較大的阻礙作用,所以也能減弱高頻干擾,只是效果相對較差。
然而,較大的磁芯損耗會導致磁芯發熱,而損耗較小的磁芯價格也較高。




 

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